P2P技术翻译，主要UDP hole punching技术，经过测试证明有可行性，但也受其制约条件影响

Leoyin--之大隐隐于市 — Mon, 24 May 2004 20:10:00 GMT

2. 对于使用NAT的P2P通讯的技术

这一部分从细节上描述当前所知的技术对于实现在NAT存在的情况下的P2P通讯，来自应用程序

或协议设计者的观点。

2.1. 中继站

大多数可靠的，至少是有效的在NAT存在的情况下实现P2P通讯的方法就是使P2P通讯依赖于网络

就像客/服(C/S)通讯。例如，支持两个客户端的主机 A 和 B ，已经各自发起TCP或UDP连接到一个

众所周知的有固定IP地址的服务器 S。客户端 A 和 B 两个都居于网络地址解析器后面的私有地址

网络中，但是他们两个都没有控制一个公共的IP地址或者固定不变的TCP或UDP端口以使引入到他们的

连接能够被直接建立。

                                          Server S
                                                |
                                                |
            +----------------------+----------------------+
             |                                                                     |
          NAT A                                                          NAT B
             |                                                                     |
             |                                                                     |
         Client A                                                         Client B

不是试图在客户端 A 和 B 之间建立一种直接的TCP或UDP连接，而是两个客户端能够简单的使用

服务器 S 来中转他们之间的消息。例如，发送一个消息到客户端 B，那么客户端 A 简单的发送

消息到服务器 S 沿着他们已经建立的C/S连接，然后服务器 S 发送消息到客户端 B 上也使用它和

B已经存在C/S连接。这种方式具有的优势就是只要两个客户端到服务器都具有连通性那么它将永远

可以工作。很明显的缺点就是消耗服务器的处理能力和不必要的网络带宽，并且在两个客户端之间

的信息等待时间可能被增加了即使服务器有很好的连接（能力）。

2.2. 反向连接（或逆向连接）

第二种方法工作在仅仅客户端中的一个在NAT的后面。例如，假如客户端 A 在NAT的后面

但是客户端 B 不在，如下图所示：

                                            Server S
                                    18.181.0.31:1235
                                                |
                                                |
            +----------------------+----------------------+
             |                                                                      |
          NAT A                                                              |
    155.99.25.11:62000                                                |
             |                                                                      |
             |                                                                      |
         Client A                                                           Client B
      10.0.0.1:1234                                                    138.76.29.7:1234

客户端 A 有私有IP地址 10.0.0.1，并且应用程序使用TCP 端口1234。客户端 A 已经和公共IP 地

址为18.181.0.31 端口 1235 的服务器 S 建立一个连接。NAT A 已经分配端口号62000，他的公共

IP地址为 155.99.25.11，为了 A 与 S 的会话提供临时的公共端点地址：因此服务器 S 认为客户端

A 的IP地址为155.99.25.11，端口为62000。然而客户端 B 有他自己的固定IP地址，138.76.29.7

并且P2P的应用程序对于 B 接受TCP连接在端口1234。

现在假设客户端 B 想要发起一个P2P的通讯会话与客户端 A。B 可能首先接通客户端 A 的地址，

或者在客户端 A 认为是自己已有的10.0.0.1:1234，或者在被服务器 S 认为的 A 的地址

155.99.25.11:62000。但是以这两种情况，连接将会失败。以第一种情况，直接通信到IP地址

10.0.0.1将会完全被网络终止，因为10.0.0.1不是一个公共的路由IP地址。以第二种情况，TCP SYN

请求从 B 将会直接的到达 NAT A 端口62000，但是 NAT A 通常将会拒绝连接请求通过一个RST包，

因为仅仅向外发出的连接是被允许的。

在试图建立一个直接的到 A 的连接的失败后，客户端 B 能够使用服务器 S 来中转一个请求

到客户端 A，使 A 发出一个“反向的”连接请求到达客户端 B。客户端在收到这个通过 S 中转的

要求后，开始一个TCP连接到 B 在 B 的公共IP地址和端口号上。NAT A 允许连接发生因为它是在

防火墙内部发起的，而 B 能够接受连接是因为它没有在NAT的后面。

大部分当前的P2P系统执行这种方法。当然，它的主要局限性就是这种工作方式仅仅在通讯点中

的一方在NAT的后面：如果通讯点都在NAT后面，那么这种方法就作废了。因为反向连接不是一种通

用的解决问题方法，他也不被推荐作为首选的策略。应用程序可以选择试图反向连接，但是这种方式

应该可以自动后退到另一种机制同时被搁置，例如在中继站既不是一种“正向”也不是一种“反向”

连接能够被建立的情况下。

2.3 UDP Hole Punching

第三种方法，也就是这篇文章最感兴趣的一种，有时被叫做“UDP Hole Punching” 。

UDP Hole Punching依赖于已经建立好的NAT协定来允许被恰当设计的P2P应用程序“punch holes”

（穿孔）通过NAT和防火墙并且相互之间建立直接的连接，即使当两个正在通讯的主机可能位于

同一个NAT的后面。这种方法在RFC 3027 [NAT-PROT]中的5.1部分被简单的提到而且在

Internet[KEGEL]被非正式的描述。很不幸，根据名字的意思，这种方法工作的可靠性仅仅

对于使用UDP而言。

我们将要考虑两种特殊的情景，以及应用程序如何能够被设计成合适的处理这两种情形。第一种

情况，描绘一种普遍情况，希望点对点通讯的两个客户端居于不同的NAT的后面。第二种情况，两个

客户端实际上居于同一个NAT的后面，但是（客户端）未必知道他们的这种情况。

2.3.1. 客户端位于不同的NAT的后面

假设客户端 A 和 B 两个都有私有IP地址并且位于不同的网络地址解析器后面。P2P应用程序

运行于客户端 A 和 B 以及服务器 S ，各自使用UDP端口1234。A 和 B 已经各自发出UDP通讯会话

同服务器 S ，从而分别导致NAT A 分配他的公共UDP端口62000 对于 A 同 S 的会话，NAT B分配

他的公共UDP端口31000 对于 B 同 S 的会话。

                                             Server S
                                     18.181.0.31:1234
                                                |
                                                |
            +----------------------+----------------------+
            |                                                                       |
          NAT A                                                          NAT B
    155.99.25.11:62000                                           138.76.29.7:31000
            |                                                                       |
            |                                                                       |
         Client A                                                           Client B
      10.0.0.1:1234                                                    10.1.1.3:1234

现在假设客户端 A 想要与客户端 B 直接建立一个UDP通讯会话。假如 A 简单的发送UDP请求

到 B 的公共地址 138.76.29.7:31000 ，那么NAT B将通常丢弃这个到来的消息，因为源地址

和端口号与和他所发起的外部会话建立连接的服务器 S 不匹配。类似的，如果 B 简单的发送

UDP请求到 A 的公共地址，那么NAT A也将丢弃这个消息。

假设 A 发送UDP请求到 B 的公共地址，但是同时的转播一个消息通过服务器 S 到达 B，

要求 B 发送UDP请求到 A 的公共地址。A 的往外去的消息直接的到达 B 的公共地址

(138.76.29.7:31000)将会使得NAT A开始一个新的通讯会话在 A 的私有地址和 B 的公共地址

之间，同时，B 的消息（A通过S要求B发送的）到达 A 的公共地址(155.99.25.11:62000)将会

使得NAT B开始一个新的通讯会话在 B 的私有地址和 A 公共地址之间。一旦新的UDP会话在每一

方向上开始，那么客户端 A 和 B 就能够相互之间直接的通信而不需要借助服务器 S 了。

UDP hole punching 方法有几个很有用的特性。一旦一个直接的点对点的UDP连接在两个

NAT后面的客户端之间建立，那么连接中的任一部分都能够轮流充当“介绍人”的角色来帮助

另一部分建立同其他的点建立P2P连接，这个最小的连接负载（也就是最小的连接数量）是在

服务器 S 初始化时产生的。应用程序不需要试图明确的检测它究竟在哪一个NAT的后面，即使需要

[STUN]，因为以上的程序将要建立P2P通讯通道同样假设客户端中的一端或两端不在同一个NAT的

后面。UDP hole punching方法甚至可以自动工作在“双重NAT”，也就是一个或两个客户端要经过

两层或更多的地址解析。

2.3.2 客户端在相同的NAT后面

现在考虑两个客户端（可能不知道）居于相同的NAT后面的情况，也就是存在于相同的私有地址

空间中。客户端 A 已经建立一个UDP会话同服务器 S ，到达 S 的公共NAT已经分配公共端口62000。

客户端 B 也已经建立一个UDP会话同服务器 S ，到达 S 的公共NAT已经分配公共端口620001。

                                          Server S
                                       18.181.0.31:1234
                                                |
                                                |
                                            NAT
                                  A-S 155.99.25.11:62000
                                    B-S 155.99.25.11:62001
                                                |
            +----------------------+----------------------+
             |                                                                      |
         Client A                                                         Client B
      10.0.0.1:1234                                                  10.1.1.3:1234

假设 A 和 B 使用UDP hole punching方法作为方案，使用服务器 S 作为引导来建立一个通讯通道。

那么 A 和 B就可以互相知道对方的公共IP地址和端口号也就是被服务器 S 观察的（IP和端口），

并且相互发送消息在公共地址上。这两个客户端将能够以这种方式相互通话，只有在NAT允许内部

网络的主机开通解释和内部的其他主机的UDP会话而不是外部主机的情况下。例如，当 A 发送一个

UDP包到 B 的公共地址，最初的包有一个源IP地址和端口号10.0.0.1:1234以及一个目的IP地址和

端口号155.99.25.11:62001。NAT接收这个包，解释他的源地址和端口号155.99.25.11:62000（A的

公共地址）以及目的地址和端口号10.1.1.3:1234，然后转寄这个包到 B。即使被NAT支持，这种

解释和转寄的步骤在这种环境下很明显也是不必要的，可能增加了反应时间对于 A 和 B 之间的

对话，同时增加NAT的负担。

然而这个问题的解决方法是很简单的。当 A 和 B 最初通过服务器 S 交换地址信息时，他们

应该包含被他们自己所观察到的IP地址和端口号以及被S观察到的地址(就是公网和私网地址)。两

个客户端同时的发送包到对方，以他们知道的两个地址（译者注：我理解是 A 和 B 同时发送两个

包，分别发往对方的公网和私网地址，依据下面解释），然后使用第一个连接成功的地址。如果两

个客户端在同一个NAT的后面，那么直接到达他们的私有地址的包可能会第一个到达，从而直接的

通讯通道没有包含NAT。如果两个客户端在不同的NAT的后面，那么直接发往对方私有地址的包将根本

不可能到达，但是两个客户端将很有可能使用他们各自的公共地址建立连接。然而这些包通过一些

方法被验证是很重要的，既然在不同的NAT的情况下，A 的消息到达 B 中私有地址的其他的主机节点

（反之亦然）是完全有可能的。

2.3.3 固定端口映射

the hole punching技术有一个很重要的告诫：他起作用仅仅假设每一个NAT维持着一个单独的、

固定的映射从一个给定的部分（私有IP地址和UDP端口号）到一个解析的部分（公共IP地址和UDP端

口号），对于在使用中的UDP端口。对于一个在私网给定的UDP端口，NAT必须保证内部端口总是映射

到在全部可定址的Internet上的相同的UDP端口，即使通讯产生在内部UDP端口和在Internet多重不同

的外部目的地之间。尤其是，NAT没有必要正确无误的分配和指派一个新的UDP端口为防火墙内部的每

一个发起的会话，这个会话是被两个正在通话的终端的地址和端口号定义的。分配一个新的公共端口

为每一个新的会话，使得对于一个UDP应用程序来重新使用一个已经建立的（公共IP地址和公共UDP端

口）映射（为不同的外部目的主机通讯建立的）是不可能。

然而RFC 3022[NAT-TRAD]建议并且明确的允许NAT维持一个单独的映射从一个部分（私有IP地址和

端口）到另一部分（公共IP地址和端口），很不幸，却没有书面要求这种行为。因此，当大部分的NAT

实现这种值得做的方法并且因此允许使用the hole punching技术直接的基于UDP的P2P通讯的时候，

另一部分当前的NAT却不支持这种技术。因为这是所知的对于建立直接的P2P通讯在两个客户端都在

NAT后面并且运行在多种多样的以存在的NAT的情况下最有效的方法，使用这种方法也是被推荐的

如果需要有效的P2P通讯，但是也要做好倒退到简单的中继方式，当直接的通讯不能够被建立的时候。

2.4 UDP 端口号预测

很多的UDP hole punching 技术讨论是在允许点对点的UDP会话被创建当一些NAT存在的情况下，

这些NAT没有维持一个固定的映射在私有和公共的UDP端口间。这种方法（2.4的方法），有时被叫做

“N+1”技术[BIDIR]，工作在假设被NAT选择的公共端口号没有容纳固定的以及起源于一个给定的私

有IP地址和端口号的所有会话，但是仍然是可预测的（这句话请看原文！！没翻译好）。再一次考虑

这两个客户端的情况，A 和 B，每一个都在单独的NAT后面，已经建立了UDP连接同一个定址的服务器

S。

                                            Server S
                                          18.181.0.31:1234
                                                  |
                                                  |
              +----------------------+----------------------+
              |                                                                       |
            NAT A                                                          NAT B
   A-S 155.99.25.11:62000                                      B-S 138.76.29.7:31000
              |                                                                        |
              |                                                                        |
           Client A                                                          Client B
        10.0.0.1:1234                                                  10.1.1.3:1234

NAT A已经分配了他的UDP端口62000对于A 和 S 之间的通讯，并且 NAT B已经分配了他的端口31000

对于 B 和 S之间的通讯。通过经过服务器 S 的通讯，A 和 B 互相知道了他们彼此被 S 观察到的公

共IP地址和端口号。客户端 A 现在开始发送一个UDP消息到端口31001地址为138.76.29.7（注意端口

号的增加），同样的，客户端 B 现在开始发送消息到端口62001地址为155.99.25.11。假如NAT A 和

NAT B 继续的分配端口号对于新的会话，并且没有过去太多时间自从 A-S 和 B-S 的会话被发起的时

候，然后一个 A 和 B 之间工作的双向通讯通道就应该有结果。A 的消息到 B 导致 NAT A 开辟一个

新会话，也就是NAT A 将要分配公共端口号62001给这个会话，因为62001是端口号62000 的下一个连

续的端口号，62000是先前那个分配给 A 和 S之间会话的。同样的，B 的消息到 A 将导致NAT B开辟

一个新的会话，也就是NAT B将要分配公共端口号31001给这个会话。如果两个客户端已经正确的猜到

了每一个NAT分配给新会话的端口号，那么一个双向的UDP通讯通道就像上面说的一样已经建立了。

                                            Server S
                                     18.181.0.31:1234
                                                  |
                                                  |
              +----------------------+----------------------+
              |                                                                       |
            NAT A                                                          NAT B
   A-S 155.99.25.11:62000                                    B-S 138.76.29.7:31000
   A-B 155.99.25.11:62001                                    B-A 138.76.29.7:31001
              |                                                                       |
              |                                                                       |
           Client A                                                        Client B
        10.0.0.1:1234                                                  10.1.1.3:1234

很明显的，有很多事情都能够导致这个方法失败。假如在每个NAT中被预测的端口号已经被一个不

相干的会话使用了，那么NAT将忽略那个端口号并且联接尝试将会失败。假如每个NAT有时或者总是

不连续的选择端口号，那么这个方法也将失败。假如在NAT A（或者NAT B）后面的一个不同的客户

端打开一个对外的UDP连接到其他外部的目的地，在A（B）建立同 S 的连接之后，在 A（B）发送

他的第一个消息给B（A）以前，那么这个不相干的客户端将非有意的“偷走”那个期望的端口号。

这种方法因此很不可靠，当每一个复杂的NAT在负载的情况下。根据以上的原因，新的应用程序实现

这种方法是不被建议的。在这里描述这种方法纯粹是因为历史和情报的目的。

2.5 同时发生的TCP连接初始

有一种方法能够被用来使用在一些地方来建立直接的点对点的TCP连接在两个都在NAT后面的两个

节点。大多数的TCP会话开始和一个终端建立连接都发送一个SYN包，对于这个包的响应另一部分回送

一个SYN-ACK包。然而这种情况是可行以及合法的，对于两个终端开始一个TCP会话通过同时的发送到

对方SYN包，作为回应这个包，双方又各自回应使用各自的SYN-ACK包。这种过程被称作

“simultaneous open”（同时开始打开）。

假如一个NAT收到一个TCP SYN包从正在尝试与内部建立TCP连接的外部的私有网络，那么NAT将通

常拒绝连接企图通过发送回一个TCP RST(connection reset)包。然而，假如SYN包到达包含有源与目

的地，且与NAT已经相信是活动的TCP会话相符的地址和端口号，那么NAT将允许那个包通过。尤其是，

假如NAT就在当前已经观察并且发出一个对外的SYN包，使用相同的地址和端口号，那么它将认为会话

活动的并且允许进入的SYN包。假如客户端 A 和 B能够互相正确的预测他们各自的NAT将要为下一个对

外的TCP连接的公共的端口号，并且假设每一个客户端初始一个对外的TCP连接和另一个客户端同步的，

以至于每一个客户端的对外SYN包在每一方的SYN包到达对方的NAT以前通过它的本地NAT（译者注：就

是当外部进来的SYN包到达前，内部发出的SYN包一定要先发出去），那么点对点的TCP连接就可以建立
了。

很不幸的是，这种方法甚至更脆弱并且对时间的敏感程度超过了上面描述的UDP端口号预测技术。

首先，所有相同的事情都能互相导致错误，每一边试图预测NAT将要分配给新会话的公共端口号。另外

如果每个客户端的SYN到达对方的NAT太快，那么NAT将通过一个RST包拒绝SYN，导致本地的NAT依次关

闭新的会话。最后，尽管支持“同步打开”通常是一种TCP规范[TCP]的强制部分，但是它并没有被正

确的执行或者根本就没有在众多普通的操作系统中应用。基于这个原因，这个方法同样的在这里提到

仅仅为了历史原因；这种方法被应用程序使用不被推荐。要求有效的直接的点对点的应用程序应当使

用UDP。